АНАЛИЗ СИСТЕМ АЭРАЦИИ ПРИМЕНЯЕМЫХ В СООРУЖЕНИЯХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

ANALYSIS OF AERATION SYSTEMS USED IN BIOLOGICAL TREATMENT PLANTS

Alexander Moseev

Student, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Nizhny Novgorod

Mikhail Zhakevich

Scientific adviser, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Nizhny Novgorod

Аннотация. В статье рассмотрены системы аэрации, применяемые в сооружениях биологической отчистки и их особенности. Очистка сточных вод основана на процессах биохимической деструкции органических веществ комплексом организмов, развивающихся в этой структуре. По основному технологическому признаку, способу подачи и распределения кислорода воздуха аэраторы можно отнести к следующим пневматическим, механическим, гидравлическим и комбинированным системам. Внутри каждой системы аэрационное оборудование также делится по конструктивным особенностям, глубине погружения, материалу и т.д. Каждая система вентиляции имеет свои отличительные особенности. Способ подачи и распределения воздуха определяет количество и скорость массопереноса кислорода и, следовательно, эффективность работы аэратора. Процесс аэрации определяется геометрической конструкцией, динамическими и физико-химическими факторами. В практике биологической очистки наибольшее распространение получили пневматические системы аэрации. Суть процесса пневматической аэрации состоит в том, что кислородсодержащий газ воздух, технический кислород иод определенным давлением по системе трубопроводов подается в аэрационное сооружение. С помощью аэраторов газ дробится на пузыри, которые распределяются в объеме жидкости и служат источником снабжения воды кислородом, а также вызывают направленную циркуляцию смеси в аэротенке для поддержания активного ила во взвешенном состоянии.

Abstract. The article discusses the aeration systems used in biological treatment facilities and their features. Wastewater treatment is based on the processes of biochemical destruction of organic substances by a complex of organisms developing in this structure. According to the main technological feature, the method of supply and distribution of oxygen to the air, aerators can be attributed to the following pneumatic, mechanical, hydraulic and combined systems. Within each system, aeration equipment is also divided into structural features, depth of immersion, material, etc. Each ventilation system has its own distinctive features. The method of supply and distribution of air determines the amount and speed of the mass transfer of oxygen and, consequently, the efficiency of the aerator. The aeration process is determined by geometric design, dynamic and physicochemical factors. In the practice of biological treatment, the most common are pneumatic aeration systems. The essence of the pneumatic aeration process is that the oxygen-containing gas air, technical oxygen iodine is supplied to the aeration structure by a certain pressure through the piping system. With the help of aerators, the gas is crushed into bubbles, which are distributed in the volume of the liquid and serve as a source of oxygen supply to water, and also cause a directed circulation of the hydropower mixture in the aeration tank to maintain the active sludge in suspension.

Ключевые слова: Аэрация, водные ресурсы, биологическая очистка стоков, сточные воды, аэрации жидкостей.

Keywords: Aeration, water resources, biological treatment of effluents, wastewater, aeration of liquids.

Важнейшим природным ресурсом, без которого невозможна биологическая жизнь на Земле, является вода.

Водные ресурсы - один из наиболее чувствительных компонентов природной среды, без которого невозможна жизнь на Земле, способный к очень быстрым изменениям под влиянием хозяйственной и производственной деятельности человека. Основным фактором, оказывающим негативное воздействие на открытые водоемы, является поступление загрязняющих веществ в сточные воды. Сточные воды содержат много вредных веществ и могут существенно влиять на экологическое состояние водоемов. В связи с этим возникает острая необходимость строительства новых и модернизации эксплуатации существующих очистных сооружений.

В настоящее время и в обозримом будущем биологический метод аэробного окисления органических загрязнителей сточных вод будет играть основную роль в очистке большинства хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, что обусловлено технологическими и экономическими преимуществами этого метода по сравнению с другими известными методами. [1]

Загрязнение подземных вод – изменение физических, химических и биологических свойств воды, ограничивающих или исключающих её использование в различных направлениях, где она обычно играет существенную роль. Загрязняющие вещества, содержащиеся в отходах, образованных в результате деятельности человека, проникают в подземные воды и могут вызвать различные виды загрязнений.

Аэротенки наиболее широко используются для биологической очистки сточных вод. Основная часть общих затрат (60-68%) на эксплуатацию аэротенков приходится на оплату электроэнергии, потребляемой системой аэрации [2]. Из всего комплекса оборудования, используемого в настоящее время на биологических очистных сооружениях, аэрационные устройства являются наиболее энергоемкими, что делает актуальным повышение эффективности работы системы аэрации.

Система аэрации определяет не только экономические показатели очистных сооружений, но и существенно влияет на процесс биологической очистки, так как степень окисления загрязняющих веществ во многом зависит от величины поддерживаемой концентрации растворенного кислорода и эффективности перемешивания иловой смеси.

Поэтому задача разработки новых устройств для повышения эффективности систем вентиляции является актуальной.

Системы аэрации представляют собой совокупность оборудования и устройств, обеспечивающих всасывание воздуха из атмосферы, его подачу, распределение и смешивание со всем содержимым аэрационного сооружения.

Очистка сточных вод основана на процессах биохимической деструкции органических веществ комплексом организмов, развивающихся в этой структуре.

Основными конструкциями биологического метода очистки сточных вод являются аэротенки. Воздушный резервуар обычно работает в тандеме со вторичным отстойником, где происходит разделение очищенных сточных вод, выходящих из воздушного резервуара, и суспензии активного ила. При этом часть ила удаляется из системы, а часть (переработанный ил) возвращается в аэрационный бассейн для повышения его производительности и уменьшения количества избыточного ила. [3] Аэротенк чаще всего представляет собой резервуар прямоугольного сечения, пересеченный сточными водами с примесью активного ила, где осуществляется биохимическая очистка сточных вод. Воздух, вводимый с помощью пневматических или механических аэраторов – системы аэрации, смешивает очищенные сточные воды с активным илом и насыщает его кислородом, необходимым для жизнедеятельности бактерий. Высокая насыщенность сточных вод активным илом и непрерывная подача кислорода позволяют проводить интенсивное биохимическое окисление органических веществ, поэтому аэротенки являются одним из самых современных средств биохимической очистки.

Активный ил представляет собой совокупность бактерий и простейших, участвующих в процессе очистки сточных вод. Применяется в процессе биологической очистки сточных вод для удаления из них органических веществ, в том числе соединений азота и фосфора. Метод биологической очистки основан на способности определенных видов микроорганизмов использовать загрязняющие вещества в пищу при определенных условиях. Многие микроорганизмы, образующие активный ил станции биологической очистки сточных вод, поглощают содержащиеся в сточных водах загрязняющие вещества в клетку, где они подвергаются биохимическим превращениям под действием ферментов.

Методы биологической очистки воды [1]:

• окситенк (с аэрацией воздухом, обогащенным кислородом или чистым кислородом),
• фильтротенк (с откачиванием сточной воды из аэротенка через фильтр, задерживающий активный ил в аэротенке),
• окислительные каналы (с циркуляцией сточной воды и системами поверхностной аэрации),
• шахтные аппараты (в виде шахт или колонн для повышения давления воды),
• аэроакселераторы (аэротенк, совмещенный со вторичным отстойником)

При технико-экономической оценке различных систем аэрации обычно используют следующие показатели:

а) окислительная способность ОС представляющая собой скорость переноса кислорода при стандартных условиях (температура воды - 10С и давление ОД МПа), выраженная массой кислорода, перенесенной за один час, кг О ч.;

б) эффективность аэрирования, определяемая как отношение скорости переноса кислорода в воде при стандартных условиях к номинальной мощности;

в) степень турбулизации потока в сооружении, оцениваемая обычно по скоростям движения жидкости в характерных точках; обычно приводят значение минимальных донных скоростей, величины которых должны быть достаточны для псевдоожижения активного ила;

г) удельная номинальная мощность на единицу объема сооружения; обычно расчет системы аэрации производится исходя из достижения требуемых скоростей растворения кислорода в сооружении, а поэтому удельная мощность будет зависеть от требуемой скорости растворения кислорода и эффективности аэрирования.

Эффективность аэрирования принято определять исходя из работы нетто, без учета коэффициента полезного действия приводного оборудования. Это позволяет получать более общий показатель, независимый от характеристики установленного оборудования, выбор которого определяется местными условиями и номенклатурой оборудования, выпускаемого промышленностью. В тех случаях, когда по каким-либо причинам определить работу нетто не удалось, приводится работа-брутто. В настоящее время для биологической очистки сточных вод как в СССР, так и за рубежом получили распространение следующие системы аэрации [5]:

а) пневматическая;

б) механическая с поверхностными центробежными аэраторами;

в) механическая с поверхностными цилиндрическими аэратора ми;

г) пневмомеханическая;

д) аэратор типа ПМ с подачей диспергированного воздуха;

е) струйная.

Таблица 1.

Характеристика аэрационных систем [5]

Исследования по улучшению технических характеристик устройств для аэрации жидкостей привели к появлению статических нагнетательных устройств, распыляющих газ струями жидкости, создаваемыми насосом. По сравнению с ранее рассмотренными аэраторами взрывные устройства имеют следующие преимущества: высокая скорость растворения газа в жидкости и малое энергопотребление, а также простота конструкции, простота в эксплуатации и надежность. Благодаря этим достоинствам струйные аппараты в последнее время все чаще используются для эффективного тепломассообмена в различных отраслях промышленности. Они используются, в частности, в аэротенках, окислительных каналах и других системах биологической очистки сточных вод; при производстве газированных напитков; медицинская и микробиологическая промышленность.

Широкое применение струйных аппаратов ограничивается несовершенством конструкции и отсутствием научно обоснованных методов расчета их основных гидродинамических и массообменных свойств. Поэтому актуальность теоретических и экспериментальных исследований вентиляционных процессов в этих устройствах сохраняется. Механизм насыщения жидкости газом в таких устройствах основан на нагнетании воздуха падающей струей жидкости, вытекающей из сопла.

Поверхность струи жидкости после выхода из сопла, двигаясь в газовой среде, становится неровной, «шероховатой». Газ проникает в углубления «шероховатости» и увлекается струей. Захваченный газ диспергируется в виде мелких пузырьков, образуя газожидкостную смесь с развитой границей раздела.

Широкое распространение получил на станциях биологической очистки в аэрационных сооружениях пневматический способ аэрации. Принцип действия пневматической системы аэрации следующий: под определенным давлением по магистральным и воздухораспределительным трубопроводам подается кислородосодержащий газ к различного рода диспергаторам, установленным в соответствующих точках резервуара.

Пневматический способ аэрации отличается высокой стоимостью по сравнению с пневмомеханической и механической [4].

Механическая система аэрации достаточно часто используется на очистных сооружениях канализации, занимает второе место по использованию после пневматической.

Принцип работы механических аэраторов заключается в вовлечении атмосферного воздуха в обрабатываемую жидкость вращающимися элементами аэратора.

К основным преимуществам механических аэраторов можно отнести: простота в изготовлении, отсутствие необходимости строительства воздуходувных станции, и высокая окислительная способность.

К их недостаткам следует отнести недостаточно высокую надежность работы. При значительных объемах сооружения требуется значительно большое количество установки аэраторов. А также потребность в дефицитном оборудовании

Показатели БПК и ХПК используются для оценки показателя общего загрязнения сточных вод органическими соединениями ХПК - химического потребления кислорода - величины, определяемой методом, при котором вещества, присутствующие в сточных водах, химически окисляются до 0,25% K2Cr2O7 при кипячении пробы в течение 2 часа в 50% об. растворе H2SO4. Для полного окисления органических веществ используют катализатор - Ag2SO4. Большинство органических соединений в таких условиях окисляются до Н2О и СО2, однако ряд соединений (пиридин, бензол и его гомологи, нафталин) в этом режиме не окисляются полностью. Помимо ХПК на окисляемость бихромата применяют также ХПК на окисляемость перманганата - окисление загрязнений KMnO4. Этот прием проще в исполнении, но при его использовании количество окисляемых органических соединений значительно меньше, чем при окислении бихроматом. [3]

БПК - биохимическая (биологическая) потребность в кислороде - количество кислорода, потребленного микроорганизмами адаптированного ила при аэробном биологическом разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах, при стандартных условиях инкубации за определенный интервал времени. При этом кислород, расходуемый на нитрификацию, при определении БПК не учитывается. В зависимости от продолжительности биологического разложения различают БПК за 5, 20 сут и полное окисление: БПК5, БПК20, БПКобщ. БПК5 обычно определяют для стоков, содержащих легкоусвояемые примеси - углеводы, низшие спирты. Для стоков химических производств с широким спектром органических загрязнителей определяют БПКобщ. Однако такое определение может быть затруднено, так как по мере уменьшения концентрации органических загрязнений начинают протекать процессы нитрификации с потреблением кислорода, следовательно, БПКобщ. часто определяется за 15–20 дней до начала нитрификации.

При осуществлении биологической очистки сточных вод различного происхождения (бытовых или промышленных) основные затраты электроэнергии ложатся на систему аэрации, поэтому особое внимание важно уделить оборудованию аэротенков, а именно аэрационных систем. При замене систем аэрации на очистных сооружениях в настоящее время все большее предпочтение отдается мелкопузырчатым элементам аэрации.

Сравнение работы разных систем аэрации основывается не только на показателях часовой и удельной подачи кислорода, характеризующих работу собственно аэраторов, но и на других характеристиках их работы, важных для процесса их эксплуатации. К ним относится,

• способность систем к перемешиванию,
• возможность эффективной подстройки систем под разные режимы эксплуатации,
• а также надежность всех механических узлов конструкции аэратора.

То есть, помимо хорошей способности к насыщению водной среды кислородом воздуха, аэратор должен обеспечивать достаточную степень перемешивания, а также исключать возможность его засорения, что может привести к понижению интенсивности окисления, образованию мертвых зон и скоплений анаэробного осадка.